塑料异型材是通过挤出成型方法制得的非规则截面的塑料制品，其应用范围广泛，尤以塑料门窗最为典型。在挤出生产过程中，模具起着十分重要的作用，直接影响着制品质量和生产效率，因此合理设计挤出模具显得尤为重要。通过塑料异型材挤出成型过程的数值模拟，可以获得模头内熔体的速度场和定型模内型材的瞬态温度场，在此基础上进行模具结构的设计优化，这对挤出模具的设计与制造具有重要指导意义。本文首先对挤出模头内塑料熔体三维流动过程的进行理论分析。针对壁面滑移问题，提出挤出流动分析时应施加边界滑移速度，给出了壁面滑移速度的测量方法，研制了一种在线式聚合物双毛细管挤出流变仪；针对复杂的模头三维型腔实体，提出一种适合于数值模拟的分步单元划分策略；采用更适用于聚合物挤出流动分析的Bird-Carreau流变方程，完成了塑料熔体在模头内三维流动的数值模拟。采用有限元数值分析和正交试验分析法，系统分析了模头结构参数对多流道挤出流动平衡的影响规律。其次，在挤出流动分析的基础上，结合聚合物流变学理论和最优化方法，提出一种基于流动平衡的塑料异型材挤出模头结构设计优化方法。该方法以模头出口处各区域流动的平衡性为优化目标，对模头结构参数进行了设计优化。通过实例分析和实验，证明优化后挤出流动的平衡性显著提高，该方法具有较强的适应性和实用性。然后，应用传热学原理系统地分析型材在定型模内冷却时的传热过程，给出了该过程的传热数学模型，对初始条件和边界条件进行了更接近生产实际的分析和计算，建立了型材与定型模内腔间对流换热系数的计算方法，完成了定型模内塑料型材冷却过程的数值模拟，获得了型材在定型模内不同时刻的瞬态温度场。最后，基于定型模内型材冷却数值模拟结果，以冷却水道位置为优化设计变量，以定型模出口处型材冷却均匀性和冷却效率为优化目标，提出了一种基于瞬态温度场的定型模冷却水道设计优化方法。针对型材局部冷却不均匀的问题，给出了异型水道设计方案，通过实验和生产实践，证明水道经优化和异型设计后的定型模能够显著提高型材冷却的均匀性和冷却效率。利用基于有限变形理论的热力耦合基本方程，对定型模内塑料异型材冷却过程进行热力耦合计算，提出了一种新的定型模型腔反变形设计方法，可以直接将型材变形映射成型腔的轮廓，并通过实验验证了该方法的正确性和有效性。